流化床旋风分离除尘器结构优化及数值模拟

陈巨辉 张宗云 陈纪元 马明 廖吉鹏

摘 要：针对提高大尺度的工业级旋风分离除尘器分离效率的问题，设计一种惯性分离原理和离心分离原理结合在一起的一种新型旋风分离器，采用顆粒动力学理论，建立了双流体模型，对旋风分离器内气固流动特性进行了数值模拟研究，分析了流体速度、颗粒轨迹等参数的变化规律.，结果表明，与传统的旋风分离器相比，新型旋风分离器分离效率有所提高。

关键词：旋风分离器;惯性分离原理;离心分离原理;新型分离器

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.017

中图分类号： TK229

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）03-0109-07

Abstract：In order to improve the separation efficiency of the large-scale industrial cyclone separation filter， a new cyclone separator is designed which combines the principle of inertia separation and centrifugal separation. Based on the theory of particle dynamics， a two-fluid model is established， which is used to numerically simulate the gas-solid flow characteristics in the cyclone separator. The variation law of fluid velocity， particle trajectory and other parameters is analyzed. The results show that the separation efficiency of the new cyclone separator is improved compared with the traditional cyclone separator.

Keywords：cyclone separator; principle of inertia separation; centrifugal separation principle; new type separator

0 引 言

我国是世界上煤炭的最大生产国，也是最大的煤炭消费国家。煤炭在我国一次能源中占据主导地位，而且这种情况在很长一段时间不会有实质性的改变。产业生产和国情需求迫使我国需要发展更加清洁且高效的燃烧技术，循环流化床燃烧技术因其有效降低污染物产量、负荷范围宽且燃料适应性广等突出优点得到了广泛应用。旋风分离器作为其重要组件之一，承担着分离烟气中的气固两相的任务，并将没有完全燃烧的固体颗粒重新返还炉膛继续燃烧，提高燃烧效率与脱硫效果，以达到正常物料循环倍率和流化状态的维持[1-3]。

旋风分离器的性能直接影响着循环流化床的总体设计，系统布局及运行性能。普通旋风分离器的结构一般由进气口、圆筒体、圆锥体、排气管和排尘管等几部分组成。各部分的结构有多种形式，所以组成了各种形式的旋风分离器。尽管如此，其分离原理是一样的，只是在性能上存在差异。为了分析归纳出其优缺点，基于现有循环流化床对所搭配的旋风分离器进行对比研究。其优点主要有颗粒分离效率较高，能够处理大量的颗粒、粉尘;其缺点则主要有体积巨大，导致重量大且耗材多，在安装时占地面积大且较难固定，工作时旋风分离器与过大体积的除尘器散失大量热量会降低锅炉热效率，且有时需要较高的保温材料费。

本文基于惯性分离原理与离心分离原理，对流化床旋风分离器进行优化分析，设计出高效节能的旋风除尘器。

1 研究所用的模型及理论

1.1 流动模型

本文采用的流动模型主要有守恒方程、湍流模型[4]和曳力模型。

4）气固相间曳力模型。

在气固流动欧拉多相流模型中，两相之间的作用力影响对对颗粒流动状态的准确描述起着十分重要的作用，曳力是对相间动量传递过程中的简单描述，能够通过数学公式来准确的描述流体中单个球形颗粒所受到气体的曳力作用，同时采用带有雷诺数的函数表达式，本文为了更好的描述颗粒流动状态，此处采用Gidaspow所提出的气固曳力模型。

1.2 双流体模型

双流体模型即为欧拉-欧拉方法，由Jackson等[6]首次提出，对N-S方程进行局部平均求解[7]。整个空间中，多相介质的分布特性在该模型下被描述为连续不断的。同时在空间及时间尺度下，介质进行宏观运动时其物性参数是连续可微的[8-11]。颗粒相被模化为“拟流体”，颗粒相间作用可经由颗粒压力及黏性来体现，固相间的各种湍流运输作用在该模型下均能达到较为完整的描述 [12]。固相与流体相采用相同的计算方式和求解方法，流体力学守恒方程可采取相同的表示形式。

1.3 颗粒动力学理论（KTGF）

由于双流体模型中存在着颗粒粘度、压力等诸多未知的参数，要使得基本控制方程得以封闭，需得到完整的参数表达式，因此采用颗粒动理学理论[15] （kinctic theory of granular flow， KTGF） 来详细描述在流动过程中颗粒之间的相互作用，被称为微观粒子与宏观流体的连接纽带。

1.4 湍流模型

本文湍流模型采取知名度最高且应用范围最广的标准k-ε模型[16]，该模型下运输方程由湍流能量方程及湍流能量耗散输运方程构成[17]。

1.5 离散项模型

对于采用多相流模型来求解颗粒、液滴、气泡等流动的问题时，当体积分数小于10%时满足离散相模型的条件，可以采用离散相模型对流动过程进行数值求解，以获得精度较高的计算结果。

在FLUENT14.0中选择Problem setup→model→discrete phase-off选项，弹出Discrete Phase Model对话框。

2 固气分离原理及除尘效率计算原理

2.1 固体与气体惯性分离原理

惯性分离即动量分离，其原理是于气固两相流动的路径上放置障碍物，利用颗粒及粉尘的惯性作用来实现分离效果。夹带固相或液相的气流在绕过障碍物时会产生突然的转折，此时颗粒或液滴则在惯性作用下撞击于障碍物，因而降低颗粒或液滴的速度使其被扑集。

当颗粒相惯性越大，气相发生回转运动时所经路径的半径越小，体现出的颗粒分离效果越显著，因此直径越大的颗粒更易被分离，气速的适当提高与转折处曲率半径的适当减小更益于提高效率，如图2所示。

离心分离的原理在于利用旋转过程中气相与固相颗粒产生离心力，实现占比不同物质的分离效果[18]。溶液中的悬浮物因离心机等设备产生相当高的角速度，产生远大于重力的离心力实现沉淀与析出。同时，比重不同物质的沉降速度因所受离心力不同而出现差异，实现比重不同物质的分离效果。

离心分离生物分子是最常用的生化分离方法，在现代除尘技术中，也在广泛的使用离心分离器，如图3所示。

2.2 除尘效率计算原理

全效率：含尘气体通过除尘器时所捕集的粉尘量占进入除尘器的粉尘总量的百分数称为除尘器全效率，如图4所示。

如果除尘器结构严密，没有漏风，除尘器入口风量与排气口风量相等，均为L，则可改写为

重力沉降即夹带于静止流体中直径为dc的尘粒从静止状态开始进行自由落体运动，颗粒加速沉降。颗粒在加速过程中所受阻力也随之增加。尘粒在其重力、浮力与绕流阻力达到平衡时，将进行匀速下降，此时颗粒达到最大沉降速度值vs，也称为沉降速度。

因此，灰尘粒子的重力沉降与风速共同叠加作用力的影响是设计除尘器含尘气体进出口位置的主要考虑因素。

3 3新型旋风分离器结构优化

3.1 新型旋风分离器的结构

3.2 新型旋风分离器模拟计算及改进[19]

由图6可以看出，在A、B两处位置，流体流动过程中会出现涡流现象，造成较大的流动能量损失，在第一个灰斗的位置流體速度变化平缓，呈现出U型分布，未能达到理想状态中速度急剧变化的V型分布，因此，需要对流体绕流中间圆柱的几何形状与灰斗的深度进行合理的改进以此减弱在A、B两处位置出现的涡流现象，减小流动过程中出现的能量损失。同时减小灰斗的宽度，并且对A、B处位置挡板的角度进行改进后能够对流动轨迹起到约束的作用，使得流体在两个灰斗处发生类似V型的急速回转运动，为颗粒提供了较大的离心作用力。

综合以上分析结果得到以下改进结构图，如图7所示。

由图8可以看出，流体由入口段流入，出口段流出，在灰斗之间存在以较小的曲率半径发生急速回转运动的现象，这种流动状态能够为颗粒的运动提供较大的离心作用力。观察图中C处位置能够发现，一侧流体具有较高的速度，而相对侧存在涡流与回流现象，同时可以观察到A处位置也出现了局部的涡流，这种现象会导致造成空气动力场的扰动和流体能量的损失，因此需对图中A、C两处的挡板进行改进。

最终确定分离段在内部的结构如图9所示，通过数值模拟进行分析来新型旋风分离器的内部结构，由于其结构内部流动状态呈现出螺旋向下的趋势，因此分别在A-A与B-B两处对内部流动进行数值模拟。

由图10、图11可以看出，当颗粒随流体共同运动到灰斗位置处，并没有出现涡流与扰动的现象，而是产生了一定幅度的急回流动，为颗粒提供了离心作用力，使得固体颗粒在离心力、惯性力、碰撞和摩擦多种作用力的共同影响下减速并分离。新型旋风分离器结构图，如图12所示。

4 结 论

本次设计采用颗粒动力学理论，引入了颗粒温度，建立并采取了双流体模型，对旋风分离器内气固流动特性进行了数值模拟研究，新型旋风分离器结合了传统旋风分离器的离心分离原理和新型惯性分离器三次减速两次分离的惯性分离原理，在结构上做了适当的优化，在分离效率方面比传统旋风分离器有所提高，在烟气处理量上较于新型惯性分离器有很大的提升，具体具体得到以下结论：

新型旋风分离器的分离效率与颗粒粒径、颗粒密度、气体速度等因素存在着一定的关联性，对新型旋风分离器中间圆柱体形状与灰斗的深度进行合理的改进能够减弱在A、B两处位置出现的涡流现象的影响，减小流动过程中出现的能量损失。同时减小灰斗的宽度，并且对A、B处位置挡板的角度进行改进后能够对流动轨迹起到约束的作用，使得流体在两个灰斗处发生类似V型的急速回转运动，能够为颗粒提供了较大的离心作用力，使得固体颗粒在离心力、惯性力、碰撞和摩擦多种作用力的共同影响下减速并分离，提高分离效率。

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（编辑：温泽宇）